Квантовые вентили управляют состояниями кубитов, позволяя квантовым компьютерам выполнять такие операции, как суперпозиция, запутывание и измерение.
В Канаде создали альтернативную архитектуру кубита со встроенной защитой от ошибок вычислений
Кубит — это носитель квантовой информации и аналог бита в квантовом мире, основной элемент любых квантовых вычислителей. Каждый лишний кубит играет большую роль – ведь он сразу повышает мощность вычислений в два раза. Увеличивается количество используемых кубитов, модернизируются системы поддержания кубитной когерентности, ведутся поиски оптимальной технологии изготовления многокубитных архитектур. Кубит (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений.
Что такое квантовый компьютер? Разбор
Впрочем, в ближайшее десятилетие ученые панируют это изменить. А облачные вычисления на процессорах будущего доступны простым пользователям уже 8 лет: IBM в 2016 году запустила облачную платформу IBM Q Experience с удалённым доступом к квантовому компьютеру. Самый мощный квантовый компьютер для коммерческого использования на сегодня содержит 5 000 кубитов. Это разработка немецкого исследовательского центра на базе канадской системы D-Wave, Advantage, так назвали машину. Ее возможности можно протестировать — вычисления доступны через облако. Первые квантовые ЦОД Сейчас квантовые машины используют в основном в лабораториях — им нужны особые условия. Это не ПК и не ноутбук, который можно легко взять с собой в дорогу — компьютер на кубитах по размеру больше холодильника. Суть в том, что чем больше кубитов, тем более неустойчивой становится система. Пока самый успешный концепт холодильника для квантовых компьютеров представила D-Wave. Несмотря на особые условия размещения, которые не просто обеспечить, в сети уже появились новости о строительстве первых квантовых дата-центров — IBM планирует построить первый ЦОД для суперкопьютеров в Германии. С его помощью компания планирует облегчить доступ к передовым вычислениям исследовательским и государственным учреждениям.
Но квантовые технологии не только научный прорыв, а еще и вызов для ученых — для защиты квантовых данных уже недостаточно обычных методов асимметричного шифрования, любые данные с суперкомпьютером можно взломать за несколько минут. Для безопасной и быстрой передачи данных уже сейчас прокладывают квантовые магистральные связи — в России такая линия соединяет Москву, Санкт-Петербург и Нижний Новгород, в ближайшие несколько лет продолжат подключать и другие города. Сеть позволит шифровать данные алгоритмом квантового распределения ключей, который усиливает защиту информации за счет своей симметричности. Первый видеозвонок по квантовой сети прошел успешно. И тот, кто сумеет разработать супертехнологию, получит способ изменить мир вычислений. Пока возможности квантового компьютера ограничены — разработки находятся на первой стадии развития. Но облачные решения определенно ускорят внедрение квантовых технологий. А если вы ищете надежный хостинг для любых задач и вычислений, попробуйте Рег. Сейчас в Рег.
В представленном на страницах Entropy примере специалисты показали, как можно реализовать модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли обобщенную на n-кубитов версию вентиля контролируемое НЕ. С помощью этого алгоритма можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, классический процессор. Оказалось, что при использовании кудитов, в частности куквинтов, для реализации 8-кубитного алгоритма Гровера требуется выполнить 88 двухчастичных гейтов против более 1000, когда работа строится на стандартных кубитах. Как видно, разница колоссальная. По мнению авторов технологии, ее можно применять не только к кубитам на ионах, но и в других носителях информации, например, сверхпроводящих кубитах.
А теперь давайте познакомимся с простейшим и интереснейшим объектом квантового компьютера — кубитом. Кубит Кубит — это то же самое, что и бит в обычном компьютере. Ящичек, который содержит минимальную частицу, которой кодируется любая осмысленная информация.
Кубит, также, как и бит, может принимать значения 0 или 1, но, в отличие от бита, эти конкретные значения он принимает лишь при выводе результата вычислений. В процессе вычислений значение кубита определяется не единицей или нулём, а вероятностью наличия в нём одного из этих значений. При математическом описании работы квантового компьютера оперируют именно векторами.
Если математически описывать физику процессов, происходящих в квантовом компьютере с кубитами при логических операциях с ними, то это будут умножения векторов, описывающих вероятностное состояния кубитов, на матрицы, описывающие эти самые логические операции. Если в обычном компьютере это простейшие логические операции «и», «или», «не», «исключающее или» и т. Кроме вентильных матричных преобразований волновые функции кубитов можно складывать и вычитать, как можно складывать и вычитать обычные волны.
В результате сложений волн вероятностей, как и на обычных волнах, возникает интерференция, которая позволяет влиять на состояние кубита, меняя вероятность получения в нём того или другого значения ноля или единицы. После всех вычислений и преобразований результирующая волновая функция вероятности при прочтении кубита превращается в ноль или единицу, и уже не отличается от бита.
КК на сверхпроводниках имеет самое большое число кубитов на сегодня, но из-за особенностей технологии их точность, как правило, невысокая. Соответственно, некорректно называть их самыми мощными. Для сравнения разных типов КК между собой был предложен квантовый объем. Если говорить упрощенно, он отражает реальную вычислительную «мощность» квантового компьютера. Где сейчас и как ускориться В России сейчас активно разрабатываются все основные типы квантовых компьютеров: на ионах, атомах, оптических интегральных схемах и на сверхпроводниках.
Самый мощный КК в стране построен на ионах и насчитывает 16 кубитов. Заместитель руководителя группы «Прецизионные квантовые измерения» РКЦ Илья Семериков, который разрабатывает этот КК, рассказывает: «Нам еще только предстоит измерить экспериментально квантовый объем нашего ионного компьютера, но, судя по достоверностям двухкубитных операций и связности, я бы ожидал увидеть 25 или, может быть, 26. Увеличение квантового объема — наша основная задача на сегодня». Такие результаты соответствуют уровню лидеров квантовой гонки начала-середины 2020 г. Текущий рекорд по квантовому объему по состоянию на июль 2023 г. Он составляет 219, или 524 288. Это означает, что компьютер может выполнять сложные квантовые алгоритмы с высокой точностью.
РКЦ в конце 2021 г. К недостаткам модели относилось меньшее время когерентности, но на сегодня эта проблема решена, сказал Семериков. Текущая точность квантового компьютера РКЦ находится на уровне ведущих компаний 2018-2019 гг. По словам Семерикова, сейчас команда активно работает над ее повышением. МФТИ создал рабочий квантовый чип, выполненный на сверхпроводниках, на 8 кубитах. Сейчас тестируется на 12 кубитах. Оборудование для этого было закуплено еще в 2016 г.
Но сохраняются сложности с масштабированием и улучшением этого типа КК. Разработчики российских КК сходятся во мнении, что для ускорения разработки квантового компьютера, кроме отдельных проблем, необходимо решать вопрос с кадрами и популяризировать квантовые технологии среди молодежи и в научной среде.
Квантовые компьютеры: путь от фантастики до реальности и их влияние на науку и бизнес
Несмотря на то что за почти 30 лет человечество нашло ответы на множество вопросов, связанных с созданием полноценного КК, до его практической реализации пока еще далеко: по самым скромным подсчетам — 5 лет. Мировые светила физики почти ежегодно получают Нобелевские премии за решение задач, приближающих квантовую эру вычислений. Пока эти наработки можно сравнить с первыми ламповыми компьютерами. В России отдельные разработки КК велись до 2020 г. Эксперты рассказали о том, как правильно сравнивать между собой КК, где они могут пригодиться и как Россия может обогнать нынешних лидеров в этой области. Пока наша страна в роли догоняющей, однако недавно президенту России Владимиру Путину был представлен 16-кубитный КК, что соответствует лучшим мировым достижениям в этой области 2019 г.
Зачем это нужно Сейчас Российский квантовый центр РКЦ работает над предоставлением облачного доступа к российским квантовым компьютерам. КК полезен в логистике и финансовой отрасли, задачах моделирования технологических процессов и анализа больших данных в нефтегазовом секторе, а также поможет разработкам в квантовой химии моделирование новых соединений, поиск лекарств , биоинформатике и криптоанализе. Квантовые вычисления являются принципиально вероятностными, а банки зарабатывают на расчете рисков, то есть возможности наступления негативных событий. Поэтому применение квантовых компьютеров позволит улучшить риск-модели и ускорить обработку больших данных, рассказал квантовый энтузиаст, директор по цифровому развитию Делобанка Антон Семенников. Когда же технология получит широкое распространение, можно ожидать снижения ставок в экономике за счет более качественного расчета рисков, добавил он.
Требуется не только создать действующий квантовый компьютер, но и разработать соответствующие алгоритмы и программное обеспечение. У России большой научный потенциал в области математики, программирования, физики и квантовой механики», — считает Семенников. На квантовый мир мы смотрим с позиции разработчика, рассказал заместитель генерального директора холдинга Т1 по технологическому развитию Антон Якимов. Квантовый объем 100-200 кубитов не кажется недостижимым для 2025 г. Однако, по его мнению, вопрос больше в практической плоскости: через какое время такие облачные вычислительные мощности станут доступны для рынка на понятных условиях по модели Quantum-Computing-as-a-Service.
Имеется в виду то, над чем сейчас работает РКЦ. Как же это работает Какие же свойства так привлекают исследователей со всего света? В классическом компьютере единицей хранения информации является бит, который в зависимости от наличия или отсутствия напряжения принимает значение 0 или 1. В КК роль основной единицы в квантовых вычислениях играют квантовые биты, или кубиты. Они отличаются от обычных битов тем, что могут равняться 0, 1 или находиться в суперпозиции.
Также у нас есть 25-кубитный компьютер на атомной платформе. Но качество операций лучше на ионной платформе». До конца этого года должны успеть 50 сделать. Посмотрим, может быть, получится и больше», — добавил Юнусов. Квантовые компьютеры в будущем будут использоваться для решения задач, с которыми не могут справиться привычные нам электронные вычислительные машины. Это, например, моделирование природных процессов или очень сложные математические расчеты.
Логические операции с битами и творят всю компьютерную магию: вы слушаете песню, смотрите видео или генерируете картинки с котами в нейросети. Физически бит выглядит как крохотный транзистор, который устроен на редкость примитивно: он умеет лишь включаться и выключаться, как лампочка в новогодней гирлянде. Но делает это настолько быстро и в такой тесной взаимосвязи с другими «лампочками», что это позволяет компьютеру выполнять сложнейшие вычисления практически со скоростью света. Читайте также: Революция транзисторов: от механических машин до суперкомпьютеров будущего Такая система прекрасно себя зарекомендовала — на транзисторах работают практически все современные устройства: от умных часов до смартфонов, от домашних ПК до суперкомпьютеров. Однако и она не лишена недостатков — существуют задачи, которые с виду кажутся простыми, но на их решении «сыпятся» даже самые мощные машины. Классический пример. Представьте, что вы работаете разъездным торговцем: зарабатываете на жизнь тем, что ходите по домам и продаёте мультиварки. Вам нужно придумать кратчайший маршрут, который позволит заехать в несколько крупных городов хотя бы по одному разу и вернуться домой.
Перед вами — знаменитая задача коммивояжёра, и она гораздо хитрее, чем кажется на первый взгляд. Если городов в условии будет больше 66, обычному компьютеру понадобится несколько миллиардов лет, чтобы решить её простым перебором. И тут на помощь приходят квантовые компьютеры, которые могут решать такие задачи в миллионы раз быстрее обычных. Дело в том, что вместо привычных битов у квантовых компьютеров — кубиты. Физически это уже не транзисторы, а квантовые частицы — обычно фотоны или протоны. В отличие от бита, кубиты могут не только равняться 0 или 1, но и принимать любые значения между ними. Благодаря этому квантовый процессор может выполнять несоизмеримо больше операций за один такт. Как работает квантовый компьютер Как мы отметили ранее, квантовый компьютер использует два классических понятия из квантовой механики: принцип суперпозиции и спутанность.
Суперпозиция — это способность квантовой частицы находиться сразу в нескольких состояниях одновременно. У суперпозиции есть интересное свойство: она тут же «схлопывается» при появлении наблюдателя. Представьте, что вы подбросили монету и смотрите, как она вращается. Вы не можете точно сказать, что она сейчас вам показывает — орла или решку, всё вращается, ничего не понятно, остановите это кто-нибудь. Но стоит вам только «прихлопнуть» монетку на ладони, всё становится ясно. Точно так же ведёт себя и кубит — пока вы не воздействуете на него измерительным прибором, он так и будет пребывать сразу во всех состояниях между нулём и единицей. Звучит странно, но это одна из главных заповедей квантовой механики.
Такие кубиты неустойчивы к воздействиям окружающей среды, способной нарушить их корректную работу, а процедура считывания и записи информации на них крайне сложна.
В начале 2000-х годов ученые создали «искусственные атомы», которые ведут себя в соответствии с законами квантовой физики, но проще в использовании. Одни из таких объектов — джозефсоновские контакты — состоят из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Электроны благодаря квантовым эффектам могут «просачиваться» туннелировать сквозь диэлектрик.
Квантовые вычисления – следующий большой скачок для компьютеров
Но есть не только физические, но и логические кубиты. В чём разница? Чтобы достичь нужного уровня, — делают логические кубиты, то есть из большого количества физических кубитов делают один логический кубит, программируют на него протоколы коррекции ошибок, алгоритм и получается, что это один кубит с высоким показателем точности. Поэтому, если вернуться к физическим кубитам, на которых и должен делаться квантовый компьютер, — индустрия находится на раннем этапе, примерно на уровне десяти логических кубитов. В ближайшие годы ожидаем, что будет достижим уровень в сто логических кубитов.
Это уже позволит делать интересные вещи — оптимизация маршрутов, клинические тесты, синтетическое создание клинических данных, проксимация квантовых симуляций, оптимизация финансовых портфелей. Для сравнения: чтобы взломать алгоритмы RSA, нужна примерно тысяча логических кубитов. Тут нужно сделать небольшое отступление и сказать, что сегодня в квантовых вычислениях есть ещё один подряд сложностей — пока не придумана квантовая память. Поэтому в ближайшие 10 лет квантовые вычисления будут работать в связке с классическими компьютерами.
Стратегическая долгосрочная задача — создание универсального квантового компьютера. Для этого нужно более 10 000 логических кубитов, надёжное управление многокубитными гейтами, квантовая память. Сейчас мы не можем смоделировать даже средние по сложности молекулярные соединения. Поэтому учёные делают синтетические молекулы и постоянно экспериментируют.
Моделирование сильно ограничено размерами молекулярных систем и параметрами точности. Из-за этого создание нового лекарства занимает лет десять. А квантовый компьютер, который способен смоделировать квантовую механическую систему, радикально ускорит процесс. Или фолдинг белка сейчас пытаются сделать рентгеновскими лучами, хитрыми магнитными резонансами.
А если будет квантовый компьютер, он сможет смоделировать эту систему, и мы упростим себе жизнь в создании лекарств. Ещё ускорится разработка новых материалов для космических полётов, двигателей, сверхпроводящих систем. Сделать лучше не получается, потому что мы пока плохо моделируем. За одно интервью невозможно даже перечислить все те применения квантовых компьютеров, которые можно придумать.
Даже если он просто сможет ускорить считанное количество процессов важных операций типа преобразования Фурье — это уже будет серьёзным прогрессом. А это только один шаг к созданию универсального квантового компьютера. Поэтому такой хайп. Их уже применяют для оптимизации финансовых портфелей, маршрутов, оптимизации ИИ-алгоритмов.
Что может остановить прогресс? Допустим, если время жизни системы 0,001 секунда, то можно не успеть вычислить что-то важное.
Еще можно вспомнить популярного кота Шредингера: мы никогда не знаем, жив кот или нет, пока не заглянем в коробку. Выходит, что кот находится в суперпозиции, как и кубиты. Что такое кубит?
Схема очень упрощенная, но именно так и получают кубиты. Сложность удержания системы растет вместе с числом кубитов. Зачем он нужен нам? Попытки уменьшать размеры транзисторов и дальше сталкиваются с физическими ограничениями. Да и скорость передачи данных в них быстрее скорости света не сделать.
Ужимать скоро будет некуда, значит пора искать другие пути решения.
Эта работа открывает перспективу создания принципиально новых приборов и устройств на основе сверхпроводниковых элементов. Мы расскажем вам о том, как интересен мир вокруг и поможем разобраться в самых сложных вещах. Если вам интересны космос, физика, робототехника, современная медицина и биология, то вам сюда.
Чем больше кубитов, тем сложнее поддерживать их запутанное состояние без искажений данных. На сегодняшний день исследователи используют различные технологии для создания кубитов, такие как сверхпроводники, ультрахолодные атомы и ионы, оптические системы и другие. Однако, пока нет конкретного ответа на вопрос, какая технология является наиболее перспективной.
Кроме того, важно найти способ масштабирования квантовых систем, чтобы они могли функционировать в реальных условиях.
Публикации
- Что такое квантовые компьютеры и квантовые симуляторы
- Что такое квантовый "рубильник"
- Количество кубитов в квантовых компьютерах — это обман. Вот почему
- Физик Алексей Устинов о российских кубитах и перспективах их использования
- Принципы работы квантового компьютера
- Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами
Кудиты лучше кубитов? Российские учёные доказали превосходство отечественной технологии
Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами. Кубит может хранить намного больше информации, чем классический бит. Начинаем погружаться в основу основ квантовой связи и квантовой информатики, так что сегодня узнаем, что такое кубит, для чего он нужен и в каких направления. Среднее время жизни кубита составляет порядка 14 мс, а среднее время одной квантовой операции — всего 50 наносекунд. Что такое кубит, для чего он нужен и как физически может быть реализован?
В России создан первый сверхпроводящий кубит
Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора. — Мы модернизировали систему считывания: раньше могли считывать восемь ионов одновременно, теперь 10, что соответствует 20 кубитам. Рассказываем, как появился первый квантовый компьютер, сколько кубитов в современных процессорах и какие задачи они могут решать. Возможные значения кубита можно представить как поверхность сферы с единичным радиусом — специалисты называют ее сферой Блоха.